Eine Einführung in die Strahlformung mit MEMS-Mikrofonen

Kombiniert man mehrere MEMS-Mikrofone zu einem Array für die Strahlformung, kommen die Vorteile dieser kompakten, stromsparenden und kostengünstigen Komponenten bei Anwendungen zum Tragen, die eine Richtungscharakteristik erfordern (z. B. Sprachinteraktionssysteme und professionelle AV-Geräte).

Mikrofone und Richtcharakteristik

MEMS-Mikrofone sind robust, kostengünstig und aufgrund ihrer kompakten Bauform und geringen Leistungsaufnahme in nahezu jede Anwendung einfach zu integrieren. Durch ihr omnidirektionales Ansprechen, also die gleiche Empfindlichkeit für Geräusche aus allen Richtungen, eignen sie sich für bestimmte Anwendungen: z. B., wenn ein festes Mikrofon für die Erfassung von Geräuschen aus einer unbestimmten Richtung oder einer beweglichen Quelle benötigt wird. Allerdings kann die Omnidirektionalität bewirken, dass Umgebungsgeräusche oder unerwünschte Geräusche mit der Hauptgeräuschquelle konkurrieren, wodurch der Ton weniger klar oder schwer zu hören ist.

Ein Strahlformungsarray mit mehreren MEMS-Mikrofonen kann dies verhindern, indem es die Geräusche aus einer bestimmten Richtung verstärkt und andere Geräusche dämpft. Dies wird durch Summierung der Mikrofonsignale mit Signalverarbeitungstechniken wie dem Einfügen von Verzögerungen, Verstärkung und Filterung erreicht, um die Signale von unerwünschten Tönen zu minimieren. Die Signale der gewünschten Audioquelle werden addiert, während sich die unerwünschten Signale inkohärent summieren und dadurch relativ zum Hauptsignal gedämpft werden. Abbildung 1 veranschaulicht dieses Verfahren. Bei einem gut konzipierten einfachen Array mit zwei Mikrofonen kann die Signalverarbeitung recht einfach sein.

Abbildung 1: Mikrofon-Arrays für die Strahlformung verstärken gewünschte Signale relativ zu den Hintergrundgeräuschen. (Bildquelle: Same Sky)

Ein einfaches Strahlformungsarray kann aus nur zwei Mikrofonen bestehen. Dadurch entsteht ein Instrument mit nur einer Achse. Mit der geeigneten Signalverarbeitung lässt sich ein Broadside-Array erstellen und damit die Signale maximieren, die aus Tönen resultieren, die direkt von der Seite des Arrays senkrecht zur Achse der beiden Mikrofone kommen. Die Alternative wäre ein Endfire-Array, bei dem die Richtcharakteristik für Geräusche optimiert wird, die sich entlang der Mikrofonachse bewegen.

In jedem Fall ist es wichtig, dass bei den Mikrofonen im Array Empfindlichkeit und Frequenzgang exakt abgestimmt sind. Zum Glück ist dies eine der Hauptstärken von MEMS-Mikrofonen, weil bei der Fertigung Prozesse im Wafer-Maßstab zum Einsatz kommen.

Broadside-Arrays

Abbildung 2 zeigt ein Broadside-Array. Schall aus der Richtung der bevorzugten Quelle erreicht gleichzeitig alle Mikrofone, und die Ausgänge werden summiert, um ein stärkeres Signal zu erzeugen. Schallsignale aus anderen Winkeln werden weniger konstruktiv summiert.

In der Praxis spricht das Broadside-Array gleichermaßen empfindlich auf Geräusche an, die von beiden Seiten der Hauptachse kommen. Aus diesem Grund kommt es oft zum Einsatz, wenn von hinten, oben oder unten wenig oder kein unerwünschter Schall zu erwarten ist. Eine typische Anwendung ist die Unterstützung der Sprachinteraktion bei einem Fernseh- oder PC-Monitor, wo der Benutzer voraussichtlich direkt vor dem Bildschirm sitzt und Umgebungsgeräusche im Raum eher von der Seite als von hinten oder oben kommen. Das Mikrofon-Array kann in das Gehäuse des Bildschirms eingebaut werden. Das ermöglicht eine natürliche Broadside-Ausrichtung und ist außerdem praktisch und dezent.

Abbildung 2: Das Broadside-Array ist am empfindlichsten für Schallquellen, die senkrecht zur Mikrofonachse positioniert sind. (Bildquelle: Same Sky)

Endfire-Arrays

Wenn Audioquellen von hinten oder neben dem Mikrofon gedämpft werden sollen, kann das Endfire-Array diese minimieren und gleichzeitig die Tonsignale direkt vor dem Array verstärken (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Endfire-Array kann Schall isolieren, der direkt vor dem Mikrofon entsteht. (Bildquelle: Same Sky)

Wie das Diagramm zeigt, kommt der gewünschte Schall am ersten Mikrofon an und legt dann eine bekannte Entfernung zum zweiten zurück. Die Signalverarbeitung kompensiert die resultierende bekannte Verzögerung und addiert die beiden Signale, wodurch das Ergebnis erheblich verstärkt wird. Das Summieren von Tonsignalen, die von hinter dem Array oder außerhalb der Achse kommen, ergibt einen viel geringeren Effekt.

Typische Anwendungen für Endfire-Arrays sind Handmikrofone für das Fernsehen oder Radio, die auf die Quelle gerichtet sind (z. B. ein Moderator oder ein Sprecher). Mit ihnen können die Stimme des Sprechers klar erfasst und Hintergrundgeräusche eliminiert werden.

Kreis- und kugelförmige Arrays

Ein Strahlformungsarray mit beispielsweise vier oder mehr Mikrofonen, die auf einem Kreis (Abbildung 4) oder kugelförmig angeordnet sind, kann Signale liefern, mit deren Hilfe komplexere Signalverarbeitungsalgorithmen die Richtung bestimmen können, aus der empfangener Schall stammt. Diese Art von Arrays kann beispielsweise für das Sammeln von Informationen verwendet werden, darunter die Ermittlung des Ursprungs von Schüssen für Anwendungen in Militär oder Justiz. Hier werden mittels einer digitalen Signalverarbeitung Schussgeräusche erkannt und eine Peilung berechnet, um den Ursprung der Schüsse zu lokalisieren.

Abbildung 4: Größere Arrays können komplexe Funktionen wie das Lokalisieren einer Schallquelle ermöglichen. (Bildquelle: Same Sky)

Zusammenfassung

MEMS-Mikrofone weisen ein omnidirektionales Ansprechverhalten auf und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, vor allem dann, wenn Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit, geringe Größe und geringer Stromverbrauch zu den Entwicklungsprioritäten zählen. Weil sie unter Rückgriff auf Halbleiterfertigungsprozesse hergestellt werden, können Parameter wie Empfindlichkeit und Frequenzgang genau aufeinander abgestimmt werden. Das ist eine wichtige Voraussetzung für den Aufbau von Arrays zur Strahlformung.

Strahlformung bringt die Stärken von MEMS-Mikrofonen in Anwendungen hervor, die eine Richtungscharakteristik erfordern. Ein Array kann zwei oder mehr Mikrofone enthalten, und mittels Verarbeitung der Ausgangssignale jedes Mikrofons lässt sich ein gewünschtes direktionales Ansprechen erzielen. Zu den Grundkonfigurationen zählen Broadside- und Endfire-Arrays, die sich durch eine relativ einfache Signalverarbeitung auszeichnen. Komplexere Arrays umfassen kreis- oder kugelförmige Arrays zur Peilung bzw. Arrays mit einigen bis mehreren hundert Mikrofonen für Forschungs- oder Überwachungszwecke.